基于过渡金属的笼目晶格（kagome lattice）化合物是探索几何阻挫、关联效应、磁性及拓扑等丰富物理性质的重要材料体系。Co3Sn2S2是一种具有笼目晶格的磁性外尔半金属，具有内禀反常霍尔效应、拓扑表面态费米弧、手性异常负磁电阻等新奇拓扑物性，是当今凝聚态物理中最有趣的研究对象之一。扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱等实验发现，Co3Sn2S2的部分物性与特定解理表面密切相关，如“自旋轨道极化子”仅存在于特定解理面、外尔费米弧在不同解理面上有不同的分布等。然而，目前国际上对该晶体解理面的确定存在争议。Co3Sn2S2的两个主要解理面（Type-I面和Type-II面）在STM图中均为三角晶格，从对称性与表面能上判断可能是三角晶格的S面或Sn面，而非笼目晶格的Co3Sn面。一些研究认为Type-I表面为S面（Type-II表面为Sn面）；而另一种观点给出了相反的定面，即Type-II表面为S面（Type-I表面为Sn面）。因为特定表面与其物性密切相关，所以首先需要对所解理的表面给于确定性的判断，为进一步研究奠定正确的基础。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士研究团队在笼目晶格材料的构筑、物性测量与调控方面取得了一系列具有国际顶尖水平的研究结果。2020年，他们在磁性外尔半金属Co3Sn2S2中首次提出“自旋轨道极化子”概念（Nature Communications 11, 5613 (2020)）。最近，该研究团队的黄立副研究员、郑琦博士、邢宇庆博士和杨海涛研究员等与中国人民大学季威教授指导的孔祥华博士等密切合作，对Co3Sn2S2解理面定面和表面上笼目晶格相关电子态进行了深入研究。
他们通过化学键分辨的原子力显微镜（nc-AFM）与第一性原理计算（DFT）相结合的方法，对两种解理面进行定面。在此前通过局域接触电势差测量定面的基础上（Nature Communications 11, 5613 (2020)），他们又发展了精确度更高的通过短程力谱测量定面的方法。这一方法对两种表面上晶格高对称点处实验测量的力谱与DFT计算的S面、Sn面和Co3Sn面力谱进行对比，能够准确地给出表面元素与结构信息。基于这两个结果，他们明确了Type-I表面为S面，Type-II表面为Sn面，解决了国际上关于S和Sn解理面存在的争议。
更进一步，该研究团队研究了这两种解理面上的笼目晶格相关电子态。他们通过nc-AFM实空间成像，发现两种表面上的原子均呈三角形，与笼目原子层中Co3的对称性相同。在Sn面上，相邻的三角形以共角的形式连接，形成表面笼目电子态（surface kagome electronic states, SKESs，指波函数在空间上遵循笼目对称性分布的表面电子态）；而在S面上三角形相互独立，形成了不完整的表面笼目电子态（i-SKESs），即笼目晶格的两套三角形子晶格中只有一套子晶格存在。结合第一性原理计算，他们证实了表面Sn（亚表面S）原子与下层Co笼目晶格之间存在垂直方向的p-d电子杂化，使表面原子呈现三角形。在Sn表面，Sn和S原子进一步以共角的方式进行横向杂化，从而产生SKESs；而在S面，因为没有Sn原子的参与，形成了i-SKESs。这些实验结果说明，Sn（S）原子层可以通过电子杂化的方式将下层的笼目对称性电子态“传导”到表面，从而构筑出SKESs。基于这一发现，他们提出用III-A、IV-A或V-A族元素（Se或Te元素）替换表面Sn原子（次表面S原子）以构建具有可调性质的SKESs。该方法能够构筑具有SKESs的稳定表面结构，还可以结合通过分子束外延等方法实现对SKESs的可控构筑与物性调控。
该研究清楚地确定了Co3Sn2S2晶体两个解理面，提出了使用传统表面沉积技术构筑大面积笼目晶格电子态的方法，这一以笼目晶格原子层作为电子结构模板外延生长稳定的SKESs的方法在Co3Sn2S2等笼目材料的器件应用等方面具有重要意义。物理所副研究员黄立、博士生郑琦和邢宇庆、深圳大学助理教授孔祥华为论文的共同第一作者；高鸿钧院士、季威教授和杨海涛研究员为共同通讯作者。相关研究成果以“Discovery and construction of surface kagome electronic states induced by p-d electronic hybridization in Co3Sn2S2”为题，于2023年8月26日在线发表在 Nature Communications 14, 5230 (2023) 上。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院先导专项等项目的支持。
论文下载链接: https://www.nature.com/articles/s41467-023-40942-2
图一: Co3Sn2S2材料S解理面和Type-II解理面的nc-AFM图像
图二: 通过短程力谱测量确定Type-II解理面为Sn面
图三: Co3Sn2S2材料中Sn解理面和S解理面在垂直方向p-d杂化的DFT计算
图四: 理论计算构筑一系列基于Co3Sn2S2材料的性质可调的表面笼目电子态